LPA10激光雨滴谱仪的定标及观测对比

目前在激光雨滴谱仪的气象应用中存在两个主要问题:强降水降水量测量偏差较大和无站点标定装置。LPA10激光雨滴谱仪以特有技术加强降水粒子尺度测量精度的方式,实现了在强降水过程中较小的测量偏差。此外,该激光雨滴谱仪配有可供台站使用的标定装置,便于提高观测数据的质量。通过实验室对比测试和技术参数分析,以及在实际降水中的对比观测和误差分析,结果表明,在弱降水观测中,LPA10与国际流行的雨滴谱仪降水量测量偏差都在5%左右;在强降水的观测中,LPA10与雨量计降水量测量对比偏差较小,绝大部分绝对偏差在5%以内,取得了较好的观测和应用效果。     

湖南省雨滴谱仪与常规降水观测对比分析

湖南省97个国家气象站自2017年开始陆续安装了雨滴谱仪,2018年1月1日起进行平行观测。为分析评估其探测降水量的准确性,选取湖南省12个国家站2018年雨滴谱仪观测资料和自动站翻斗雨量计小时降水资料,从总体观测误差、不同降水量级下观测误差和累积降水量观测误差3个方面进行对比分析,结果表明：（1）雨滴谱仪小时降水量和翻斗雨量计小时降水量存在显著的相关性,R2平均为0.94,其中南岳站R2最低为0.90,浏阳站R2最高为0.98,12个站的小时降水量绝对偏差均值为0.34mm;（2）当小时降水量Rh<1.0mm时,各站雨滴谱仪降水量较翻斗雨量计降水量平均偏大0.05mm,且平均差值绝对值均在0.2mm以下;当1.0mm≤Rh<2.6mm时,大部分站点雨滴谱降水量均大于或与翻斗雨量计降水量相当;当2.6mm≤Rh<5.0mm时,株洲和南岳站雨滴谱降水量较翻斗雨量计降水量明显偏小,武冈和娄底站雨滴谱仪降水量则明显偏高;当5.0mm≤Rh<8.0mm时,除株洲和南岳站外,其它各站雨滴谱降水量均大于或与翻斗雨量计降水量相当;当8.0mm≤Rh<16.0mm 时,除株洲和南岳站雨滴谱仪降水量偏小外,其他各站雨滴谱仪降水量均较翻斗雨量计降水量偏大;当Rh≥16.0mm时,雨滴谱仪降水量偏差明显变大,平均偏差绝对值达到3.570mm;（3）雨滴谱仪累计降水量和翻斗雨量计累计降水量变化趋势基本一致,除汨罗和南岳站外,雨滴谱仪累计降水量常表现为偏多。通过分析可见,湖南省雨滴谱仪雨量观测有较好可靠性,可为强降水监测预警、人工影响天气及降水数据订正等提供数据支撑。     

北海一次强降雨过程的雨滴谱特征分析

基于北海国家气候观象台的自动雨量站和激光雨滴谱仪观测资料,针对2019年08月17日00∶00—18∶00出现持续性降雨过程进行雨滴谱特征初步分析。结果显示：（1）激光雨滴谱仪和自动雨量站累积降水量具有很好的一致性;（2）分钟粒子数和分钟降水量呈正相关,但降水量不仅由粒子个数决定,还取决于雨滴的直径;（3）谱宽和降水粒子数随时间起伏变化基本同步,决定了降雨强度;（4）特征直径之间线性关系较好,可互相包容,能反映降水粒子大小。综上激光雨滴谱仪在不同速度、直径通道观测的雨滴粒子是可信的,可反映实际降雨情况;降雨强度主要由大雨滴决定;在遇到短时强降雨时,雨滴重叠会导致激光雨滴谱仪观测的降雨强度和累积降水量偏大。     

新探测仪器资料在短时强降水过程中的应用

结合新一代多普勒天气雷达观测,利用德国RPG-HATPRO-G3型14通道并行地基微波辐射计观测的温度和液态水路径数据、THIES公司THIES CLIMA LNM型地面激光雨滴谱仪获取的地面雨强资料,综合分析了2015年8月3日济南短时强降水天气过程逆温层分布特征、液态水路径变化、雨滴谱特征分布及拟合分析。结果表明,由于受强对流降水过程中的潜热增温作用,大气中存在逆温层,且较强;液态水含量存在较强的短时积聚现象,降水前液态水含量路径起伏较大,跃增非常明显,伴随降水强度的减弱,液态水路径起伏减小;整个降水过程中,前期雨滴谱呈现双峰分布,强降水和后期降水为单峰谱,雨滴谱特征符合Gamma分布。     

上海地区几类强降水雨滴谱特征分析

用Parsivel激光降水粒子谱仪资料对2013年上海地区4—10月份期间4种类型 (层状云、对流暖云主导型、对流冷云主导型和强台风影响下的混合暖云型) 降水过程的雨滴谱特征进行了分析。通过平均雨滴谱及其拟合特征、雨滴数密度与含水量分布、雨滴尺度与速度二维谱分布等对比分析发现:各类降水中, 雨滴谱的峰值结构与雨强大小有关, 其中直径介于0.187~1.312 mm的小雨滴均出现峰值且总数最多。各尺度雨滴数密度及其比例决定了其降水量贡献比, 在冷云强降水中的雨强贡献最大的雨滴尺度要显著大于其他3种类型。雨滴谱宽按大小排列依次为对流冷云主导型、混合暖云型、对流暖云主导型和层状云。最后综合运用雨滴谱、雷达、雨量站、闪电等观测资料对9月13日对流冷云主导型降水过程进行分析后发现:在雷暴的演变过程中, 雨滴谱特征与雷达反射率因子、垂直液态水含量、自动站雨强、闪电频次等要素均有较好的相关性。冷云产生的冰晶和冰雹融化后的大雨滴进入中低层的广谱小雨滴群, 并通过破碎分裂增加了大雨滴的形成概率, 尤其是捕捉碰并过程更加快了大雨滴的增长速度, 使雨强在短时间内迅速加强。雨滴谱中各档粒子数的演变, 揭示了降水强度的变化, 用雨滴谱资料可有效弥补现有雷达定量估测降水的偏差, 且在冷云中改善明显。     

雨滴谱仪网数据在雷达定量降水估测中的应用

为了探讨利用雨滴谱数据验证雷达观测的回波强度的偏差和实时拟合反射率因子(Z)与降水强度(R)的关系(即Z-R关系)进行定量降水估测的可能性,以发生在江苏南部的三次大范围降水过程为例,首先分析雨滴谱数据、雷达数据和雨量计数据的一致性,然后利用雨滴谱仪网法和传统方法分别进行降水估测,并对比两种方法的降水估测效果。结果表明:雷达和雨滴谱仪观测的回波强度具有较好的一致性;采用雨量计数据和雨滴谱计算的平均降水强度存在一定差异,但其变化趋势基本一致。相对于层状云降水,两种方法对对流云降水估测的误差更大,对层状云降水的估测,雨滴谱仪网法略优于传统方法,但对对流云降水的估测,雨滴谱仪网法更具优势。总体上,雨滴谱仪网法估测的降水,其偏差和相对误差更小,估测值总量与雨量计观测雨量更接近,估测降水的效果更好。     

两种雨滴谱仪观测对比及对雷达降水估测精度影响研究北大核心CSCD

利用广东龙门、新丰和佛冈布设的二维视频雨滴谱仪(2D-video-disdrometer,2DVD)和HY-P1000激光雨滴谱仪观测资料,分析了相同地点和相同时间两类雨滴谱仪降水滴谱观测和降水反演精度的差异。根据收集的2018年和2019年的雨滴谱观测数据,拟合了双偏振雷达定量降水估测基本关系式,并应用于S波段双偏振雷达(CINRAD/SAD)定量降水估测(quantitive precipitation estimation,QPE)优化组合方案中。结果表明:较HY-P1000雨滴谱仪而言,2DVD可观测到更多的1 mm以下的小粒子降水,但观测到的大于3.5 mm的雨滴数明显少于HY-P1000雨滴谱仪;对比由2DVD和HY-P1000观测数据计算得到的双偏振参数与CINRAD-SAD 0.5°仰角观测得到的双偏振参数,发现参数间均存在一定的差别,其中差分反射率因子差别相对较大;此外,利用2DVD观测数据可整体提升双偏振雷达QPE精度,对中雨及以下量级精度提升尤为明显。     

雷达定量测量降水

为了探讨利用雨滴谱数据验证雷达观测的回波强度的偏差和实时拟合反射率因子(Z)与降水强度(R)的关系(即Z-R关系)进行定量降水估测的可能性,以发生在江苏南部的三次大范围降水过程为例,首先分析雨滴谱数据、雷达数据和雨量计数据的一致性,然后利用雨滴谱仪网法和传统方法分别进行降水估测,并对比两种方法的降水估测效果。结果表明:雷达和雨滴谱仪观测的回波强度具有较好的一致性;采用雨量计数据和雨滴谱计算的平均降水强度存在一定差异,但其变化趋势基本一致。相对于层状云降水,两种方法对对流云降水估测的误差更大,对层状云降水的估测,雨滴谱仪网法略优于传统方法,但对对流云降水的估测,雨滴谱仪网法更具优势。总体上,雨滴谱仪网法估测的降水,其偏差和相对误差更小,估测值总量与雨量计观测雨量更接近,估测降水的效果更好。     

一次典型积层混合云降水过程雨滴谱特征

利用激光雨滴谱仪观测到的资料,对2009年8月29日山东省一次典型积层混合云降水过程中雨滴谱特征进行了分析。结果表明:降水强度主要取决于最大雨滴直径,与雨滴浓度也呈正相关性,而与平均直径的关系甚微;本次降水过程中雨滴平均谱以双峰和多峰结构为主,在0.5mm左右处存在峰值;Г分布各拟合参数随时间起伏变化趋势一致,强降水时段中各拟合参数起伏变化缓慢,各值基本保持在同一水平;建立了雷达回波强度与降水强度之间的相关关系。     

Parsivel降水粒子谱仪与观测站 雨量计的对比分析

本文选取强降雨、一般降雨等几次天气过程,利用统计方法,对架设于南京的五个Parsivel降水粒子谱仪监测的资料和观测站雨量计雨量资料进行对比分析,结果得到:雨滴谱仪的雨量数据在降雨过程中与雨量计相差较小。雨强在10～20mm·h~(-1)之间时,雨滴谱仪的雨量与雨量计相差最大;雨强为0～1mm·h~(-1)和大于20mm·h~(-1)(短时强降雨)、或直径大于2mm时,雨滴谱仪雨量总体上大于雨量计;雨强为1～20mm、或直径小于2mm时雨滴谱仪雨量总体上小于雨量计。     

利用微雨雷达研究一次冷锋云系降水的垂直结构分布及演变特征

本文利用河北邢台测站Ka波段微雨雷达（MRR）观测到的一次冷锋云系降水过程分析降水的垂直分布及演变特征。将MRR观测结果与天气雷达、地面雨滴谱仪、雨量计观测结果进行对比以检验MRR数据的可靠性。同时将MRR与雨滴谱仪和激光云高仪结合,研究了不同相对湿度阶段特征量、雨滴谱的平均垂直分布特征和降水特征量随时间、高度的演变特征。结果表明:MRR与雨量计及雨滴谱仪累计雨量结果较为接近,趋势一致。MRR 200 m雨强值与地面雨滴谱仪雨强值偏差最小,平均偏差为0.05 mm h?1,相关系数为0.93。相比雨滴谱仪,MRR观测到的小滴数浓度出现高估,大滴数浓度出现低估,中滴数浓度较为一致。降水在云内和云外受不同微物理过程影响,垂直变化特征不同。降水初期平均反射率和雨强在云底以下明显减小,小滴和中滴平均数浓度明显减小,蒸发作用影响较强。而在其余时间段在云内随高度降低平均反射率和雨强略有增加,小滴平均数浓度变化较小,中滴大滴平均数浓度增加,表明云内有云滴与雨滴间的碰并发生。而在云外低层,随高度降低平均有效直径明显增加,平均雨滴总数浓度明显减小,小滴平均数浓度显著减小,大滴平均数浓度显著增加,表明在云外低层雨滴间的碰并作用较强。     

Parsivel激光雨滴谱仪与雨量计观测降水的一致性分析

利用南京市气象局在江宁布设的激光雨滴谱仪、称重式雨量计和翻斗式雨量计,整理2014—2018年期间2590h的降水观测资料,重点分析了Parsivel激光雨滴谱仪对降雨和降雪的测量性能。结果表明,与称重式雨量计结果相比,翻斗式雨量计测量的降水时数和累积降水量均偏低,激光雨滴谱仪测量的降雨时数偏低,但累计降水量偏高15.07%;激光雨滴谱仪能够有效跟踪降水强度的变化,但在雨强较小(2.5mm·h~(-1))时对雨强略有低估,在降雨强度较大(≥2.5mm·h~(-1))时对雨强有不同程度的高估,最大可达近50%,而且雨强越大,一致性就越差;翻斗式雨量计无法有效测量降雪;激光雨滴谱仪则可以有效跟踪降雪的变化情况,但是受到测量原理的限制,对等效降水强度则有不同程度的高估。从5年数据来看,没有发现随着激光雨滴谱仪安装时间的增长,性能变差的问题。     

基于激光雨滴谱仪的一次降水云滴谱特征分析

利用2012年4月30日湖北省发生的一次降水过程中收集到的地面雨滴谱资料,对不同站点对流性降水和层云性降水雨滴谱特征进行分析,并将激光雨滴谱所测降水与自动站雨量计降水进行对比分析。研究表明:不同类型降水粒子平均体积直径、优势直径、中数体积直径差异显著;对流性降水粒子谱为单峰型分布,层状云降水粒子谱为双峰型分布特征;激光雨滴谱仪和自动站雨量计观测到的小时降水量变化趋势基本一致,定量分析发现,激光雨滴谱仪测值相对与雨量计测值存在系统性偏低的情况,且雨强越大,测量偏差越大。      

雨滴谱仪和天气雷达观测的反射率因子对比分析

利用Parsivel雨滴谱仪和新一代天气雷达对2012年沈阳地区一次短时暴雨过程进行了对比观测,对雨滴谱仪观测资料计算的反射率因子ZP进行分档统计,并与雷达RHI扫描资料计算的反射率因子Z进行对比分析。结果表明:对于2012年沈阳地区此次暴雨过程,雷达观测的回波强度存在低估现象,雨滴谱仪计算的各档反射率因子ZP均大于雷达观测的反射率因子Z;应用雷达单点和3点平均值进行统计,雷达观测的反射率因子分别平均偏低约8.30 dBz和8.64 dBz;观测仪器取样范围、资料时空匹配及谱宽变化是造成雨滴谱仪和天气雷达观测的反射率因子不一致的主要原因。     

Parsivel激光雨滴谱仪观测降水中异常数据的判别及处理

2009年利用Parsivel激光雨滴谱仪连续观测太湖地区自然降水,发现对流云降水采样的粒子谱数据常常包含有少数异常高、低数据.从Parsivel激光雨滴谱仪的测量原理出发,分析了产生测量误差的原因.然后依据3σ准则(莱以特准则)对采集的一次对流云降水粒子谱数据进行分析,对其是否存在粗大误差进行判别和消除.结果表明:异常数据即为仪器测量的粗大误差,消除误差后的数据在表征降雨量、雷达反射率因子等降水特征量时更加接近于仪器自身输出值.同样地将此方法用来分析层状云降水,有利于消减仪器测量中粒子重叠所造成误差.     

利用激光雨滴谱仪检验消（减）雨作业效果

为了有效地检验人工影响效果,设计了地面火箭和飞机催化作业方案,分析了2009年秋季的雨滴谱观测资料。计算了火箭作业点相对于激光雨滴谱仪的距离和方位,为了便于实际作业指挥中的灵活应用,将结果标注在多普勒雷达的地图上。分析了10次降水过程共5338min的雨滴浓度资料。结果显示,秋季积层混合云的雨滴浓度小于500个的占87.6%,而大于3000个的浓度出现几率很低,不同过程雨滴浓度分布有明显差别;2009年10月16日降水过程出现最大雨滴浓度6003个,部分原因可能与火箭消减雨催化作业有关。     

激光雨滴谱仪探测降水与自动气象站观测降水的对比分析

东营市气象局激光雨滴谱仪于2012年投入应用,为评估分析其探测降水量的准确性,选取东营国家级气象观测站2012—2017年间46个月的自动气象站降水资料与激光雨滴谱仪观测资料,共计245个过程降水量、1 302个小时降水量数据,按不同降水量级对两种仪器观测资料进行对比分析,结果表明：1）过程降水小雨量级,激光雨滴谱仪较自动站平均偏多0.38 mm,降水量越大,差值越大;中雨量级两者差值较小,雨滴谱仪较自动站仅偏多0.24 mm;大雨量级,雨滴谱仪较自动站降水量明显偏少约2.8 mm;暴雨时雨滴谱仪较自动站常偏多。2）小时降水Rh＜2.5 mm时,雨滴谱仪较自动站偏多约0.1 mm;2.5 mm≤Rh≤4.9 mm时,激光雨滴谱仪与自动站降水量平均差值为0.0 mm;5.0 mm≤Rh≤16.0 mm时,雨滴谱仪较自动站常明显偏少,偏少值约0.9 mm;16.0 mm＜Rh≤20.0 mm时,两者降水量较接近;Rh＞20.0 mm时,雨滴谱仪较自动站可能出现极端偏多、偏少或两者相近情况。3）降雪时雨滴谱仪降雪量常明显偏多。4）雨滴谱仪和自动站过程累积降水量趋势较一致,且雨滴谱仪分钟降水量能较早反映出降水量峰值及降水强度的变化。通过分析可见,雨滴谱仪雨量数据有较好的可靠性,可在辅助降水现象观测与订正、人工影响天气效果评估和短临预报中发挥更大作用。     

台风“利奇马”不同强降水中心的雨滴谱特征分析

在2019年台风“利奇马”台风暖区、台风与西风槽相互作用区及西风槽影响区分别挑选4个极端强降水中心,利用各站连续观测分钟雨滴谱资料和分钟降水资料,分析了不同站点和不同降水时段的雨滴尺度谱、雨滴速度谱、雨滴尺度—时间谱和雨滴速度—时间谱特征,研究了雨滴谱特征随时间的变化。结果表明:4个降水中心的雨滴尺度—时间谱和雨滴速度—时间谱存在明显差异,而过程的统计谱特征差异不明显;过程中不同区域的站点、同一站点不同的降水时段,雨滴尺度谱和雨滴速度谱主要为双峰型,尺度谱双峰中各站对应1.2 mm直径峰的位置一致,处于较小尺度峰的位置不一致;在较大雨强时,雨滴尺度谱上会出现单峰和三峰的情况,但比例较少;1.2 mm雨滴的高浓度区域与地面降水强度有非常好的对应关系,在1.2 mm雨滴的高浓度区域形成的过程中,地面降水逐渐增强,随着1.2 mm雨滴的高浓度区域逐渐瓦解,地面降水逐渐减弱,直至出现间歇。     

激光雨滴谱仪测速误差对雨滴谱分布的影响

该文研究PARSIVEL激光雨滴谱仪的测量误差并提出订正方法。对2014年在广东阳江的PARSIVEL激光雨滴谱仪采集的两次降水过程数据进行分析发现,雨滴下落速度V随粒径D变化与静止大气中雨滴下落末速度随粒径变化的Atlas-Ulbrich曲线分布趋势一致,但D < 1 mm及D > 3 mm的速度偏差较大。其主要原因是大粒径雨滴形变造成速度偏离较大,仪器测量误差造成小粒径测速偏大,激光雨滴谱仪所在高度的大气垂直运动影响雨滴下落速度。根据PARSIVEL激光雨滴谱仪测量原理,基于雨滴形变与粒径关系,给出形变订正后的Atlas-Ulbrich修正曲线,并用于对小粒径测速订正。比较订正前后的雨滴谱分布,订正后的小雨滴浓度明显增加,大雨滴浓度略有减小,订正后浓度参数和斜率参数均增加,形状参数变化不明显。     

2016年5月6日重庆万盛短时强降水雨滴谱特征分析

利用激光雨滴谱仪对2015年5月6日四川盆地东南部与云贵高原交界处的重庆万盛地区一次由地形强迫抬升形成的短时强降水过程进行观测,分析了雨滴谱相关特征值变化情况。结果表明：雨滴谱能够较好的反映本次过程雨量的细节,谱型能够较好地反映对流的生消过程;雨滴的数浓度并不是影响雨强的决定性因素,粒子大小对雨强的贡献同样很重要;大粒子虽然很少,但对雨强的贡献远大于小粒子（如大于3mm的粒子在雷达反射率因子中起主要贡献,达到97%）;强烈的对流使大粒子在下落过程中破碎形成小粒子;三参数Gamma分布能够较好的拟合本次降水过程雨滴谱分布;小粒子的速度谱大于实验典型值,与大粒子在下落过程中破碎形成小粒子有关。